無人船載設備雙軸機械穩定平臺速度前饋控制方法研究

俞華 熊天武

關鍵詞：無人船;雙軸機械穩定平臺;縱橫搖;速度前饋

0引言

艦船由于風浪作用會出現搖擺，引起船載設備如雷達天線的軸線晃動，影響對目標的掃描及測量。為了減小或消除船體搖擺對設備的影響，保證船載設備穩定運行，常見的方法是采用機械穩定方式，驅動機械穩定平臺反向搖擺克服船體縱搖及橫搖影響，提供一個近似水平的工作平臺，從而隔離船體搖擺擾動對船載設備的影響。機械雙軸穩定平臺能夠及時有效地隔離船體縱搖橫的影響，通過實時測量平臺位置信息調整姿態，保證平臺空問穩定，為雷達等艦載設備提供穩定的工作平臺，應用廣泛。無人船由于體積小，船體搖擺更加劇烈，變化迅速，基于常規的PID控制算法的雙軸機械穩定平臺不能滿足其快速變化動態性能和控制精度要求。本文基于雙軸機械穩定平臺工作原理設計前饋-PID控制算法，在PID控制算法的基礎上，引入速度前饋，通過姿態測量模塊實時測量船體搖擺角度及角度變化速度，進行算法運算后驅動伺服機構動作，提高穩定平臺控制系統的動態性能與穩定平臺控制精度，保證無人船載設備穩定工作。

1雙軸穩定平臺工作原理

雙軸機械穩定平臺主要由穩定平臺（機械結構）、測量模塊（姿態測量傳感器）、執行機構（縱橫搖力矩電機、驅動器）及控制系統等幾個主要部分組成。當船體發生搖擺，產生姿態角度變化時，姿態測量傳感器實時測量船體縱搖及橫搖角度，驅動縱搖電機及橫搖電機反向動作，實現穩定平臺機械結構水平方向穩定。穩定平臺結構上采用外軸橫搖，內軸縱搖的安裝方式，姿態測量傳感器安裝在平臺底座上，實時測量船體姿態并將姿態信息送到控制單元進行控制運算。雙軸機械穩定平臺組成框圖如圖1所示。

2雙軸穩定平臺控制策略

2.1穩定平臺解耦控制

雙軸穩定平臺控制策略采用解耦控制，根據實時測量的船體搖擺角度對穩定平臺的縱搖模塊和橫搖模塊分別進行控制。在實際工作環境下，船體縱搖及橫搖對穩定平臺的影響是相互耦合的，但在縱搖角或橫搖角逐漸向平穩狀態（搖擺角度趨向于0）過度的過程中，其相互之間的耦合關系減弱，當其中某一個姿態（縱搖或橫搖角度）達到平穩時，其耦合關系消除，因此，在對穩定平臺進行控制算法研究時，可以忽略相互之間的耦合關系，對兩軸分別進行控制，其穩定平臺控制框圖如圖2所示?？v搖及橫搖控制均采用三環控制策略，包括電流環、速度環以及位置環3個組成部分。電流環及速度環集成在電機驅動器模塊中，可以有效抑制伺服電機的非線性影響;位置環由控制模塊實現，包括姿態測量模塊、編碼器及控制板，進行穩定平臺姿態的檢測、運算與控制，實現穩定平臺平穩運行。

2.2 PID-前饋控制

PID控制算法是將比例、積分、微分幾個部分經過組合構成被控對象的控制變量，其結構簡單、易于實現、且不需要被控對象的精確模型，因此被廣泛應用。但由于無人船體積小、搖擺幅度大、且搖擺頻率高，常規PID控制是基于偏差量的反饋控制，其本質決定了調節作用總是落后于干擾變化量，對于外界快速變化的干擾量調節能力較弱，不能滿足快速搖擺下的動態特性與精度要求，因此考慮加入速度前饋。前饋控制的特點是實時觀測或者測量干擾作用的大小，并根據測量到的干擾量對被控系統進行實時地調節和控制，能夠及時補償擾動對被控對象造成的影響。前饋控制要求干擾量是可測的，雙軸機械穩定平臺的干擾量完全來自于船體搖擺，且搖擺變化量是實時可測的，因此可以基于姿態測量模塊實時檢測縱橫搖擾動變化量，建立前饋控制器補償船體快速晃動帶來的影響，提高平臺控制精度，保證船載設備穩定高效的工作。

3仿真實驗和分析

實際工作過程中，橫搖擺動幅度大，對船體姿態影響劇烈，精度控制難度相對較大，縱搖相對影響較小，搖擺幅度小，因此在控制策略研究以及算法設計時主要針對穩定平臺橫搖控制進行建模仿真及參數整定，縱搖采用與橫搖一樣的控制策略，控制器參數根據實際所選電機及減速器進行整定。雙軸機械穩定平臺包含永磁同步電機（PMSM）、驅動器、減速器等非線性模塊，是典型的高階非線性系統，為了降低難度，簡化控制器設計流程，對被控對象模型進行降階和線性化處理，簡化為典型的二階慣性環節。

基于MATLAB/simulink工具進行仿真建模，設計傳統PID與前饋-PID控制算法進行仿真實驗驗證，仿真模型如圖3所示，仿真結果分別如圖4～5所示。仿真模型輸入信號為模擬船體橫搖周期性運動的正弦信號，幅值15°，周期為2s。

由圖4～5正弦跟蹤控制誤差曲線及表1性能參數分析結果可知，前饋-PID控制算法能夠有效地根據測量的穩定平臺干擾量（船體搖擺角度及角速度）對平臺姿態進行調節，補償船體縱橫搖的影響，顯著提高控制精度，保持穩定平臺水平穩定，相對于傳統的PID控制算法具有更優的動態性能以及更高的控制精度。

4結束語

本文研究了基于雙軸機械穩定平臺的PID-前饋控制算法，并基于穩定平臺的近似線性化的降階數學模型建立MATLAB/simulink仿真模型對設計的PID-前饋控制算法進行仿真試驗驗證。仿真實驗結果顯示，相對于傳統PID控制算法，前饋-PID控制算法具有較快的動態響應和更高的跟蹤控制精度，能夠有效補償船體搖擺對穩定平臺帶來的影響，為工程應用奠定了基礎。